以激光飞行焊为例浅析机器人...工具的坐标系设定和校准方法_安龙.pdf
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1、2023年第5期2023 No.5汽车工艺与材料Automobile Technology&Material以激光飞行焊为例浅析机器人虚拟工具的坐标系设定和校准方法安龙邹尚博刘少印(北京奔驰汽车有限公司,北京 100176)摘要:对比了激光飞行焊和传统接触式焊接区别,提出了一种激光飞行焊机器人工具坐标系设定方法,可以节省仿真建模时间和工装开发成本。机器人虚拟工具的校准方法与实体工具有所不同,在机器人传统实体工具校准方法的基础上开发了适用于此类工具的校准方法。该方法能够节省焊缝批量偏移时的工艺调试时间,快速解决序列化生产中常见的工具偏移问题,在汽车制造领域具有广泛的应用前景。关键词:工业机器人激
2、光飞行焊工具坐标系工具校准中图分类号:TH17文献标识码:BDOI:10.19710/J.cnki.1003-8817.20220412Setting and Calibration Method of Virtual Robot Tool CoordinateSystem with A Case of Laser Scanner WeldingAn Long,Zou Shangbo,Liu Shaoyin(Beijing Benz Automotive Co.,Ltd.,Beijing 100176)Abstract:This paper compared the difference be
3、tween laser scanner welding and traditional contact welding,proposed a setting method of robot coordinate system with laser scanner welding optic.This method can shortenmodeling time and reduce tooling development cost.Robot virtual tool calibration is different from physical tool.A newcalibration m
4、ethod suitable for such virtual tools was developed based on the calibration method of traditional physicaltools of robot.This method can shorten process debugging time to eliminate welding seam deviation,rapidly solve tooldeviation which frequently occurs in series production,therefore has broad ap
5、plication in automobile production.Key words:Industrial robot,Laser scanner welding,Tool coordinate system,Tool calibration作者简介:安龙(1993),男,工程师,硕士学位,研究方向为机器人应用及激光焊接技术。参考文献引用格式参考文献引用格式:安龙,邹尚博,刘少印.以激光飞行焊为例浅析机器人虚拟工具的坐标系设定和校准方法J.汽车工艺与材料,2023(5):62-67.AN L,ZOU S B,LIU S Y.Setting and Calibration Method of
6、 Virtual Robot Tool Coordinate System with A Case of Laser Scanner WeldingJ.Automobile Technology&Material,2023(5):62-67.1前言激光飞行焊使用的可编程聚焦光学头(Programmable Focus Optic,PFO)是激光焊接中常用的加工头,可以将激光聚焦在工件表面熔化板材实现焊接。在焊接过程中 PFO 从工件上方扫过,故称之为激光飞行焊。激光飞行焊有激光焊的通用优势:能量密度高、热变形小、焊缝美观、焊接精度高。同时由于其内部镜组在伺服电机的驱动下运动能够改变光斑大小和焊
7、接图形,使其具有多种应用场合,如打标和白车身外覆盖件焊接1。与传统电阻点焊比,PFO 不需要与工件接触即可进行焊接,因此机器人不必精确到达每个焊缝位置,节拍快。同时PFO焊缝形状多样的优点使其能适应更多工件形状和连接强度,在白车身焊接领域逐渐取代电阻点焊,成为更多主机厂的选择2。PFO实现焊接需要预先编写焊接程序、任务程序和激光程序,焊接程序包含了焊接图形、扫描速度、功率;任务程序包含焊缝位置和所调用焊接程序;激光程序包含功率波形和光路信息,这些程序生产装备安龙 等:以激光飞行焊为例浅析机器人虚拟工具的坐标系设定和校准方法都保存在PFO里。然后在机器人上建立示教程序和焊接程序。示教程序用于让P
8、FO知道每个焊缝坐标并记录在任务程序里3;焊接程序用于编写焊接轨迹,指定触发焊接的轨迹点。需要注意的是焊接轨迹不必使工具参考点(Tool Center Point,TCP)精确到达每条焊缝,只需保证焊缝能被 PFO扫描范围覆盖,且轨迹尽可能接近直线,这样有助于节拍提升4。在建立了 PFO 工具坐标系后就可以示教焊缝位置。焊接过程中机器人带 PFO 在工件上方运行,同时将工具参考点坐标实时传输给 PFO,PFO根据工具参考点当前坐标和焊缝示教坐标的差值,经过计算驱动伺服电机带动镜组使焦点移动到焊缝位置,在示教焊缝位置进入 PFO 扫描范围就开始焊接,从而达到了提升节拍效果5。2机器人坐标系基础机
9、器人有 5 个笛卡尔坐标系:足坐标系、世界坐标系、法兰坐标系、工具坐标系、基坐标系,其中足坐标系、世界坐标系、法兰坐标系在机器人出厂时已经建立完成。使用前需要根据机器人所带工具和作业的工装胎来建立工具坐标系和基坐标系。库卡机器人系统描述工具坐标系的方式:tooldata1=x,y,z,a,b,c。x,y,z代表工具坐标系原点在法兰坐标系下的坐标;工具坐标系方向由法兰坐标系先绕Z轴旋转角度 a,再绕 Y轴旋转角度 b,绕X轴旋转角度c得到;a,b,c称之为欧拉角。需要注意的是 x,y,z的平移没有顺序,但旋转顺序会影响最终工具坐标系方向,必须按上述顺序进行旋转变换。建立工具坐标系可以让机器人知道
10、 TCP 的位置和工具方向,方便操作者灵活地调整机器人末端执行机构姿态,更加精确地控制机器人运动轨迹。工具坐标系基于机器人法兰坐标系进行变换。即工具坐标系由法兰坐标系沿位置矢量平移,根据旋转矩阵进行转动得到,求出位置矢量和旋转矩阵可用于工具坐标系校正。图 1 为工具坐标系和法兰坐标系关系,A表示法兰坐标系;B表示工具坐标系;ABR表示工具坐标系相对法兰坐标系的旋转矩阵。ABP表示工具坐标系相对法兰坐标系位置矢量。则有如下计算公式6:ABR(a,b,c)=|cosa-sina0sinacosa0001|cosb0sinb010-sinb0cosb|1000cosc-sinc0sinccosc(1
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